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工程师让金属泡沫像骨骼一样“自愈”适用于车门、空间站组件等

2019年健身大学生

根据国外媒体的报道,六千年来,人类一直在使用金属来制造东西,因为金属坚硬而坚韧,并且需要特别大量的能量来销毁。但是同时,一旦金属破裂,将需要大量的能量进行修复。通常,修复金属的过程包括在最高6300华氏度(约3315.56摄氏度)的温度下用焊枪熔化金属。

(来源:宾夕法尼亚大学)

但是现在,宾夕法尼亚大学的工程师们已经开发出一种在室温下修复金属的方法,称为“修复”方法,因为该方法类似于骨骼的修复方法,并且需要外部修复。来源获取原材料和能源。这项研究由机械工程与应用助理教授James Pikul和他的实验室研究生Zakaria Hsain进行。

除了一些金属维修需要熔化成更灵活的形式,从而导致能源成本外,某些金属零件甚至无法采用这种维修策略。例如,熔化会破坏金属泡沫的复杂内部结构,而金属泡沫是一种包含泡沫孔的特殊金属材料。这种金属在内部具有空间,因此可以在降低材料重量的同时保持整体强度。

在探索修复此类多孔金属的方法时,Pikul和Hsain研究了现有的“自修复”材料,这些材料主要由相对较软的聚合物和塑料制成。皮库尔说:“现在,每个人都使用“自修复”方法向聚合物中注入不同的化学物质。当聚合物破裂时,化学物质像环氧树脂一样被释放并混合在一起,使材料粘结在一起。这种方法适用于“修复”。 “聚合物是因为聚合物可以流动并且在室温下相对容易重塑,但这也意味着聚合物的强度受到限制。

(来源:Pikul研究小组)

为了修复金属泡沫,研究人员首先需要找到一种“感觉”被破坏的方法。尽管金属泡沫通常比聚合物具有更好的结构性能,但研究人员意识到,代替将其他化学物质封装在聚合物中进行修复,聚合物层的断裂被用作化学信号。

研究人员使用化学气相沉积法在化学惰性和弹性聚合物泡沫镍的每个支撑结构上均匀地涂覆了聚对二甲苯D层。由于这种材料的损伤容限略低于镍,因此当样品损坏时,该材料将首先断裂以暴露出下面的金属。然后,研究人员可以在需要的地方使用电镀技术在裸露的镍上创建新的镍支撑结构。

电镀是一种低能耗的室温技术,最常用于在汽车部件上镀铬层或在珠宝上镀金层。例如,将钢制的轮胎环放置在包含铬离子的液体电解质浴中,并且当施加电压时,钢附近的离子反应以在钢表面上形成均匀的金属铬涂层。

皮库尔说:“与聚合物不同,金属在室温下不会流动。电化学技术的优势在于金属离子可轻松通过液体电解质,而电化学技术可用于将离子转化为固体金属。这种聚合物就像光刻掩模一样,只允许离子在金属泡沫破裂的地方变成金属。”

研究人员在实验过程中“修复”了厘米级的聚合物涂覆的泡沫镍样品上的三种金属损伤:破裂的样品,被拉开,仅连接了几个支撑结构以及样品分为两个。此外,由于电镀技术仅应用于暴露的镍,因此修复损伤仅用了4个小时,修复损伤所花费的时间与样品的大小无关。

尽管这种在室温下“修复”的方法并不是真正的“自修复方法”,因为仍然需要外部电源和原材料,但Pikul认为该方法类似于人体骨骼自身的修复方法。与骨骼自我修复一样,金属修复的区域比损伤前要强,因为修复部位会生长出更多的镍。但是,当重复使用该技术时,新的镍会降低愈合效率,因为愈合区域不再具有聚合物涂层,而是镍继续堆积在那里。

Pikul希望进一步研究,以提高这项技术与生物治疗学之间的相似性。这些金属泡沫可以在不去除损坏部件的情况下“愈合”,因此非常适合门,机器人或空间站组件。

根据国外媒体的报道,六千年来,人类一直在使用金属来制造东西,因为金属坚硬而坚韧,并且需要特别大量的能量来销毁。但是同时,一旦金属破裂,将需要大量的能量进行修复。通常,修复金属的过程包括在最高6300华氏度(约3315.56摄氏度)的温度下用焊枪熔化金属。

(来源:宾夕法尼亚大学)

但是现在,宾夕法尼亚大学的工程师们已经开发出一种在室温下修复金属的方法,称为“修复”方法,因为该方法类似于骨骼的修复方法,并且需要外部修复。来源获取原材料和能源。这项研究由机械工程与应用助理教授James Pikul和他的实验室研究生Zakaria Hsain进行。

除了一些金属维修需要熔化成更灵活的形式,从而导致能源成本外,某些金属零件甚至无法采用这种维修策略。例如,熔化会破坏金属泡沫的复杂内部结构,而金属泡沫是一种包含泡沫孔的特殊金属材料。这种金属在内部具有空间,因此可以在降低材料重量的同时保持整体强度。

在探索修复此类多孔金属的方法时,Pikul和Hsain研究了现有的“自修复”材料,这些材料主要由相对较软的聚合物和塑料制成。皮库尔说:“现在,每个人都使用“自修复”方法向聚合物中注入不同的化学物质。当聚合物破裂时,化学物质像环氧树脂一样被释放并混合在一起,使材料粘结在一起。这种方法适用于“修复”。 “聚合物是因为聚合物可以流动并且在室温下相对容易重塑,但这也意味着聚合物的强度受到限制。

(来源:Pikul研究小组)

为了修复金属泡沫,研究人员首先需要找到一种“感觉”被破坏的方法。尽管金属泡沫通常比聚合物具有更好的结构性能,但研究人员意识到,代替将其他化学物质封装在聚合物中进行修复,聚合物层的断裂被用作化学信号。

研究人员使用化学气相沉积法在化学惰性和弹性聚合物泡沫镍的每个支撑结构上均匀地涂覆了聚对二甲苯D层。由于这种材料的损伤容限略低于镍,因此当样品损坏时,该材料将首先断裂以暴露出下面的金属。然后,研究人员可以在需要的地方使用电镀技术在裸露的镍上创建新的镍支撑结构。

电镀是一种低能耗的室温技术,最常用于在汽车部件上镀铬层或在珠宝上镀金层。例如,将钢制的轮胎环放置在包含铬离子的液体电解质浴中,并且当施加电压时,钢附近的离子反应以在钢表面上形成均匀的金属铬涂层。

皮库尔说:“与聚合物不同,金属在室温下不会流动。电化学技术的优势在于金属离子可轻松通过液体电解质,而电化学技术可用于将离子转化为固体金属。这种聚合物就像光刻掩模一样,只允许离子在金属泡沫破裂的地方变成金属。”

研究人员在实验过程中“修复”了厘米级的聚合物涂覆的泡沫镍样品上的三种金属损伤:破裂的样品,被拉开,仅连接了几个支撑结构以及样品分为两个。此外,由于电镀技术仅应用于暴露的镍,因此修复损伤仅用了4个小时,修复损伤所花费的时间与样品的大小无关。

尽管这种在室温下“修复”的方法不是真正的“自修复方法”,因为仍然需要外部电源和原材料,但Pikul认为该方法类似于人体骨骼自身的修复方法。与骨骼自我修复一样,金属修复的区域比损伤前要强,因为修复部位会生长出更多的镍。但是,当重复使用该技术时,新的镍会降低愈合效率,因为愈合区域不再具有聚合物涂层,而是镍继续堆积在那里。

Pikul希望进一步研究,以提高这项技术与生物治疗学之间的相似性。这些金属泡沫可以在不去除损坏部件的情况下“愈合”,因此非常适合门,机器人或空间站组件。